Verónica Barraza
Objetivo: Identificación de áreas deforestadas a partir de análisis espacial y temporal de imágenes satelitáles
Agenda:
Fundamentos de la teledetección.
Aplicación:
Introducción al análisis de imágenes satelitáles con R
Introducción al análisis de series temporales satelitáles con R:
Teledetección es la técnica que permite obtener información a distancia de objetos sin que exista un contacto material.
Para que ello sea posible es necesario que, aunque sin contacto material, exista algún tipo de interacción entre los objetos observados; situados sobre e la superficie terrestre, marina o en la atmósfera; y un sensor situado en una plataforma (satélite, avión, etc.).
En el caso la teledetección la interacción que se produce va a ser un flujo de radiación que parte de los objetos y se dirige hacia el sensor.
El sensoramiento remoto o teledetección es la práctica científico-tecnológica que permite adquirir información de objetos o sistemas sin estar en contacto físico directo con los mismos
Este flujo puede ser, en cuanto a su origen, de tres tipos:
Radiación solar reflejada por los objetos(luz visible e infrarrojo reflejado)
Radiación terrestre emitida por los objetos (infrarrojo térmico)
Radiación emitida por el sensor y reflejada por los objetos (radar)
Las técnicas basadas en los dos primeros tipos se conocen como teledetección pasiva y la última como teledetección activa.
La radiación (solar reflejada, terrestre o emitida por el sensor y reflejada) que llega de la superficie terrestre y que ha atravesado la atmósfera, es almacenada en formato digital.
Una vez recuperados los datos en el centro de control del satélite, permitirán obtener información acerca de la superficie terrestre y de la atmósfera.
El tipo de información que se obtiene dependerá de la longitud de onda en la que el sensor capte radiación.
La REM de acuerdo a su longitud de onda, energía o frecuencia (se ha dividido arbitrariamente en intervalos o bandas).
Cada material de la superficie terrestre (vegetación, rocas, minerales, fauna, etc.), al estar compuesto por moléculas diversas y tener así estructuras distintas, tendrá características electromagnéticas diferentes, y pueden ser definidas, teóricamente, si podemos medir esas diferencias (Soria y Matar, 2016).
Los electrones ocupan órbitas o capas discretas rodeando al núcleo, en una cantidad para cada átomo que está determinada por la carga eléctrica del núcleo, que a su vez se debe a la cantidad de protones que contenga ese núcleo. Cuando un electrón va de una órbita externa a una órbita interior emite un fotón.
La longitud de onda de este fotón está determinada por las órbitas particulares entre las que el electrón efectúa la transición. De esta forma, un espectro , que registra las longitudes de onda de los fotones, revela qué elementos químicos conforman el objeto que se ha captado.
Espectro electromagnetico
Todos los objetos, con independencia de la radiación que emitan, recibirán radiación emitida por otros cuerpos, principalmente del Sol. En relación con el objeto sobre el que es emitida, esta radiación puede:
Interacciones de la radiación electromagnética con la material
Los datos que vienen almacenados en una imagen Landsat (o cualquier otra imagen obtenida mediante un sensor óptico), son valores o niveles digitales (ND). Dichos niveles digitales no representan de manera directa ninguna variable biofísica y, por tanto, no es conveniente que usted obtenga ningún índice espectral usando dichos valores “crudos”. La razón para no hacerlo es muy simple: los llamados “índices espectrales” fueron desarrollados para trabajar con valores de reflectancia espectral de la superficie terrestre. Los niveles digitales no proporcionan dicha información. Por lo tanto, hay que convertir dichos valores ND en valores de reflectancia.
Este proceso se realiza en dos etapas:
1- Conversión de ND a Radiancia (esta etapa se conoce como calibración radiométrica)
2- Conversión de Radiancia a Reflectancia Aparente (es decir, el cálculo de la reflectancia en el sensor)
Si, adicionalmente, se remueven los efectos atmosféricos, es posible convertir la reflectancia en el sensor en reflectancia en la superficie. En tal caso, se habrá realizado un proceso completo de corrección atmosférica.
Firma espectral
ESPECTRAL: Se refiere al número de bandas y a la anchura espectral de las bandas
ESPACIAL: Es la medida del objeto mas pequeño que puede ser distinguido sobre una imagen
TEMPORAL: Se refiere a cada cuanto tiempo recoge el sensor una imagen de un área en particular
Los Índices de Vegetación son combinaciones de las bandas espectrales, cuya función es realzar la cubierta vegetal en función de su respuesta espectral y atenuar los detalles de otros componentes como el suelo, la iluminación, etc.
Cada Índice de Vegetación tiene sus limitaciones. El NDVI es sensible a los efectos del suelo y la atmósfera es, por ello, que se recomienda aplicar índices adicionales para un análisis más preciso de la vegetación.
El más conocido es el Indice Normalizado de Vegetación (NDVI) :
El NDVI es un índice cuantitativo de verdor que va desde -1 a 1, donde -1 representa un verdor mínimo o inexistente y 1 representa el verdor máximo.
Este índice se utiliza a menudo para una medida aproximada de salud, cobertura y fenología de la vegetación (etapa del ciclo de vida) en grandes extensiones territoriales.
También es habitual su uso en agricultura de precisión para estimar la salud de las plantaciones en determinadas parcelas
\[NDVI= (NIR- RED) /(NIR +RED)\]
La vegetación saludable (izquierda de la imagen) absorbe la mayor parte de la luz visible, y refleja una gran cantidad de energía de infrarrojo cercano.
La vegetación poco saludable o escasa (derecha de la imagen) refleja una luz más visible y una luz menos infrarroja
Los valores negativos corresponden a áreas con superficies de agua, estructuras artificiales, rocas, nubes, nieve; el suelo desnudo generalmente cae dentro del rango de 0.1 a 0.2; y las plantas siempre tendrán valores positivos entre 0.2 y 1.
El dosel de vegetación sano y denso debería estar por encima de 0.5, y la vegetación dispersa probablemente caerá dentro de 0.2 a 0.5. Sin embargo, es solo una regla general y siempre debe tener en cuenta la temporada, el tipo de planta y las peculiaridades regionales para saber exactamente qué significan los valores de NDVI.
NDVI
El Enhanced vegetation index (EVI) o Índice de Vegetación Mejorado intenta expresar los efectos atmosféricos calculando la diferencia de radiancia entre las bandas del Azul y Rojo y nos permite monitorizar el estado de la vegetación en caso de altas densidades de biomasa.
El proceso resulta ser similar al cálculo del NDVI salvo que, en esta ocasión requerimos, además, la banda correspondiente al Azul del espectro visible. La fórmula de cálculo es la siguiente:
EVI
Dónde: NIR= banda 5, R= banda 4, B= banda 2, L= 1, C1=6, C2=7.5
LANDSAT (LAND=tierra y SAT=satélite) fue el primer satélite enviado por los Estados Unidos para el monitoreo de los recursos terrestres. Inicialmente se le llamó ERTS-1 (Earth Resources Tecnology Satellite) y posteriormente los restantes recibieron el nombre de LANDSAT.
La misión Landsat ofrece diferentes imágenes satélite acotadas a momentos temporales y bajo resoluciones de pixel diferente. Desde la misión Landsat 1, hasta la actual Landsat 8, existe un repertorio histórico de lo más variado. En función de la franja temporal de análisis, dispones de las siguientes misiones Landsat:
Las misiones Landsat 7 y Landsat 8 son las actualmente vigentes para la descarga diaria de imágenes. La adquisición de sus imágenes, o resolución temporal, es de 16 días. Por tanto, dispondrás de una nueva imagen satélite actualizada para la misma zona de trabajo cada dos semanas aproximadamente.
Las imágenes de Landsat 8 están formadas por 10 bandas de trabajo + 1 banda pancromática cuyas resoluciones se encuentran en 15, 30 y 100 metros. Aunque su máxima resolución se encuentra en 30 metros, la banda pancromática permite equiparar todas las bandas a una resolución de 15 metros a través de la técnica pansharpening, una particular forma de remuestrear sus bandas a un tamaño homogéneo de 15 metros más pequeños. En caso de no emplear esta técnica de refinado pancromático, el juego de bandas te obligará a trabajar con resoluciones de 30 metros para todas sus bandas y 100 metros para las bandas térmicas (TIR)
Bandas
La teledetección es una importante fuente de información para el seguimiento de los cambios de la cubierta forestal, tanto en términos de su sustitución total (deforestación), como para la determinación del cambio de estructura, bienes y servicios de los ecosistemas forestales que dan lugar al fenómeno de degradación.
Las observaciones satelitales brindan información coherente del cambio en la cubierta forestal de manera continua y a escala regional, lo que facilita la toma de decisiones al momento de planificar acciones en el territorio.
Desde hace más de dos décadas, los sensores remotos brindan información para el monitoreo del cambio de uso del suelo (Landsat, MODIS, NOAHH-AVHRR, etc), habiendo en la actualidad largas series temporales que permiten mejorar las metodologías tradicionales de detección de cambios.
Por este motivo, en los siguientes videos vamos a realizar una introduccion al análisis espacial y temporal de imágenes satelitáles en áreas deforestadas.
La deforestación es un fenómeno de reducción de la superficie forestal.
La FAO define la deforestación como la conversión de los bosques a otro tipo de uso de la tierra (independientemente si es inducido por humanos o no).
La deforestación está causada por múltiples factores, tanto naturales como humanos, y tiene consecuencias irreversibles en el medio ambiente.
La deforestación es un fenómeno mundial. Cada año, millones de hectáreas de bosques desaparecen para convertirse en plantaciones de palma aceitera, pastos para el ganado, cultivos de soja, etc. El último medio siglo ha supuesto el mayor coste de deforestación de la historia de la humanidad, arrasando un 15 por ciento de la superficie mundial de vegetación, equivalente al territorio de España, Portugal y Francia.
Tan solo en los últimos 13 años, la deforestación ha arrasado 43 millones de hectáreas en todo el mundo, acabando con bosques y selvas de forma masiva y causando un inmenso daño a la calidad de los suelos. Los bosques todavía cubren alrededor del 30 por ciento de las regiones del mundo, pero franjas del tamaño de Panamá se pierden indefectiblemente cada año. Son las cifras del último informe Frentes de deforestación; causas y respuestas en un mundo cambiante de WWF, que analiza 24 lugares que tienen una concentración significativa de puntos críticos de deforestación y donde grandes áreas de bosque remanente están amenazadas.
Cambios en el área forestal a lo largo de 30 años
Ahora podemos hacer una visualización espacial, para comprender la magnitud del área deforestada a nivel global.
## Warning: Ignoring 72 observations